在超臨界二氧化碳體系中石墨烯剝離技術(shù)的研究.pdf

1、1981年，研究納米結(jié)構(gòu)的重要工具——掃描隧道顯微鏡被發(fā)明，標(biāo)志著納米技術(shù)的時(shí)代來臨，而碳納米材料也從此開始步入歷史舞臺(tái)。1985年，C60被發(fā)現(xiàn)，1996年其發(fā)現(xiàn)者哈羅德·沃特爾·克羅托等人獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);1991年，碳納米管被發(fā)現(xiàn)，2002年其發(fā)現(xiàn)者飯島澄男(sumiolijima)獲富蘭克林獎(jiǎng)?wù)?2004年石墨烯被發(fā)現(xiàn)，2010年其發(fā)現(xiàn)者安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為碳材料領(lǐng)域中的三大主角，自其發(fā)現(xiàn)以來得

2、到了各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注，也掀起了一股碳研究熱潮。尤其是石墨烯材料的發(fā)現(xiàn)，更是將碳研究推向了另一個(gè)高潮。
　　石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的晶體學(xué)質(zhì)量，突出的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，引起了各界研究人員的關(guān)注，并迅速成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)之一，涵蓋了理論研究、材料制備、改良應(yīng)用等各個(gè)方面。
　　本論文中，我們首先研究了在超臨界二氧化碳體系中剝離石墨烯材料;其次通過加入助插層劑來增強(qiáng)超臨界二氧化碳的插層剝離作用，從而

3、得到更高產(chǎn)率的石墨烯。通過AFM、SEM、TEM等分析手段對(duì)剝離的石墨烯材料進(jìn)行表征，從而得到最優(yōu)化的剝離條件。
　　本論文的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　(1)石墨原料對(duì)石墨烯尺寸的影響
　　我們選用了兩種石墨原料作為反應(yīng)前驅(qū)物，并研究了其對(duì)樣品性質(zhì)方面的影響。前驅(qū)物的尺寸的差異在產(chǎn)物石墨烯的尺寸上得到了體現(xiàn)。以數(shù)百微米大小的EG為前驅(qū)物所剝離的石墨烯尺寸約為幾個(gè)微米，而以幾個(gè)微米大小的鱗片石墨為前驅(qū)物剝離的石墨烯尺

4、寸為數(shù)百納米，尺寸相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。除此之外，EG的剝離效率也很低，這也和尺寸有關(guān)，因?yàn)镋G的尺寸過大，而溶劑分子到達(dá)石墨層的內(nèi)部，所以導(dǎo)致剝離效率的降低。由此可說明石墨原料的選擇對(duì)石墨烯的影響很大。
　　(2)對(duì)比研究了輔助插層劑對(duì)石墨烯產(chǎn)率的影響
　　在單純超臨界二氧化碳體系中，石墨烯的剝離效率較低，而有機(jī)溶劑二甲基甲酰胺(DMF)和甲基吡咯烷酮(NMP)作為石墨烯分散的常用溶劑，在超臨界二氧化碳中具有一定的溶解度，因而我

5、們將其引入超臨界二氧化碳體系中作為輔助插層劑促進(jìn)石墨烯的剝離。除此之外還加入了十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)作為對(duì)比，研究其作用。石墨烯溶液的沉降實(shí)驗(yàn)表明，三種溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響的大小為:NMP＞DMF＞SDBS。在最優(yōu)條件下，由NMP剝離得到的石墨烯溶液濃度可達(dá)0.13mg/ml，由DMF剝離得到的石墨烯溶液濃度可達(dá)0.12mg/ml。
　　(3)研究了溫度、壓強(qiáng)、時(shí)間以及攪拌對(duì)產(chǎn)率的影響
　　通過控制變量法，研究了在10

6、-25MPa，40-120℃度范圍內(nèi)超臨界二氧化碳體系中石墨烯的剝離效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度為40℃和80℃度時(shí)，剝離效果較好。在溫度保持為80℃時(shí)，壓強(qiáng)為15MPa和20MPa的條件下剝離效果較好。同時(shí)我們還研究了時(shí)間對(duì)結(jié)果的影響，時(shí)間越長實(shí)驗(yàn)結(jié)果越好，實(shí)驗(yàn)最長時(shí)間為24h。除此之外，磁力攪拌對(duì)剝離也有很大的促進(jìn)作用。因此，我們得到了最佳的剝離條件為:在溫度為40℃，壓強(qiáng)為20MPa，時(shí)間為24h并伴有磁力攪拌的情況下。
　　(4

7、)對(duì)制備的石墨烯進(jìn)行了表征
　　對(duì)剝離得到的石墨烯樣品進(jìn)行了形貌結(jié)構(gòu)與濃度的表征。AFM數(shù)據(jù)顯示石墨烯的厚度約為1.5-3個(gè)nm，表明得到了多層石墨烯;XRD數(shù)據(jù)顯示石墨烯的特征峰(002)明顯減弱，表明石墨的長程有序性被破壞，石墨得到剝離;TEM數(shù)據(jù)顯示了多層透明結(jié)構(gòu)，電子衍射圖則顯示了所剝離的石墨烯具有良好的結(jié)晶性，并證明得到了單層或多層的石墨烯片層;UV-Vis分析得到了石墨烯的濃度，最高濃度可達(dá)0.13mg/ml;粒度分析